螺栓松动故障监测实验研究综述

宫 涛，杨建华，庄絮竹，刘后广

（中国矿业大学机电工程学院，江苏省矿山机电装备重点实验室，江苏 徐州 221116）

1 引言

螺栓连接结构因其可拆卸、承载力强、成本低、能适应恶劣环境等特点被广泛用于各种连接结构，在土木、机械、航空航天等领域应用广泛。但是，大多数连接结构，比如：航天器连接板件［1-2］、钢架结构连接部分［3-4］、转子系统［5-6］、管道连接部分［7-8］，风电机组连接［9-10］等，在工作时由于安装不当、动态载荷、腐蚀等情况，螺栓不可避免地发生松动甚至折断。据统计报道，在机床领域每年大约有20%的机械系统故障是由于螺栓或紧固件的松动造成的，而且10%的机器寿命与螺栓松动有关［11］。螺栓连接松动最终造成螺栓的脱落或折断，设备损坏，造成大量的经济损失，甚至造成人员伤亡。因此，对重要结构在服役期间的螺栓结构进行实时的状态监测，对于降低事故的发生率和预防重大事故具有十分重要的工程价值。

针对典型的螺栓连接结构，许多学者在损伤识别与量化分析、状态监测等方面进行了大量研究，其中螺栓连接损伤识别与状态监测主要有3种方法：基于导波技术、基于振动技术、基于压电阻抗技术的方法。这3种方法广泛应用于螺栓松动的识别与监测中，随着人工智能技术、图像处理技术等的发展，一些学者将图像处理技术、人工智能技术与之结合进行研究，取得了丰富的成果［12-15］。由于实验原理的不同，搭建的实验台也不相同，上述的方法经过实验验证取得了良好的效果。螺栓松动监测方法对比，如表1所示。

这里对螺栓松动损伤识别与故障监测的典型实验研究进行综述，系统介绍基于导波技术、振动技术、压电阻抗技术以及一些其他技术的实验研究，侧重于实验研究的介绍，对实验台做了总结，对该方向将来的实验设计研究以及研究方向做了总结与展望，目的是完善对实际工程中不同类型的螺栓连接结构的实验研究，为实验设计提供参考，并推动理论研究应用到实际工程中。

2 基于导波技术的螺栓松动实验研究

导波技术兴起于20世纪90年代，之后在无损检测领域有了显著的发展，关于导波的基本理论、数值计算与模拟以及实验技术取得了长足的进步［16］。在结构健康监测（Structural Health Moni‐toring，SHM）中主要是指超声机械波通过有界结构介质传播对结构进行损伤识别与状态监测［17］。基于导波技术对螺栓松动的研究成果比较丰富，主要的方法有非线性超声方法、线性超声方法。其中，非线性超声方法又包括振动声调制方法（Vibro-Acoustic Modulation，VM）、冲击调制方法（Impact Modulation，IM）、混沌超声激励方法，线性超声方法主要集中于导波能耗散方法（Wave En‐ergy Dissipation，WED）、压电时间反演法（Time Reversal，TR）。

2.1 基于非线性超声方法的典型实验研究

非线性超声方法主要有振动声调制、冲击调制方法、混沌超声激励方法，前两者最主要的区别是振动声调制是采用一个稳定的简谐激励，冲击调制采用一个冲击激励来激发系统的固有模态信息，前两种方法是利用连接结构的非线性特征，最后一种方法是采用主动非线性信号激励的方式，在螺栓监测中都得到了良好的应用。非线性超声方法主要利用螺栓松动时结构的非线性因素对螺栓连接的扭矩水平进行识别和定量分析，实现螺栓的松动监测。

屈文忠等提出基于亚谐共振的螺栓松动识别方法［18］，信号发生器产生信号作用在压电片上，产生超声波通过螺栓连接结构，利用螺栓连接结构处的非线性作用对螺栓松动进行识别。实验台设置［18］，如图1所示。该实验台由两块铝板（400×90×2）mm、信号发生器、电压放大器、示波器以及压电片组成，铝板下面加装2块海绵，目的是模拟自由边界以消除边界的非线性对实验的影响。该实验搭建了一个双梁单螺栓结构，可以实现超声波的产生与接收，验证了理论的正确性。

图1 螺栓松动检测实验台Fig.1 Experimental Platform of Bolt Looseness Detection

但是有时螺栓的扭矩损失很小，非线性作用不明显，为了激发连接界面的非线性特征，需要很大的导波幅值，由于压电元件的激励幅值一般较小，很难激起结构本身的非线性，而振动激励通常幅值比较大，可以满足激励源的要求，因此很多学者将振动技术与导波技术结合，提出振动声调制、冲击调制的方法。

文献［19］针对复合材料的螺栓连接松动，提出了一种基于振动声调制的螺栓连接结构完整性监测方法；文献［20］针对铁板的螺栓松动研究了基于振动声调制的螺栓松动识别方法，并与压电时间反演法进行对比，结果表明振动声调制方法对螺栓的早期松动比较敏感。实验台设置［20］，如图2 所示。由激振器、2 块压电片、3块铝板（245×30×2.8）mm、2个M6螺栓、信号发生器以及功率放大器组成，整体结构为悬臂梁，最左端是自由端，最右端由夹持装置夹持，该实验搭建了一个三梁双螺栓结构，既对双梁单螺栓结构进行了研究，又对三梁双螺栓结构进行了研究，该实验台相对于之前的双梁单螺栓结构实验台检测的结构更复杂，功能更全。

图2 振动声调制实验台Fig.2 Experimental Platform Based on Vibro-Acoustic Modulation

振动声调制实验需要产生幅值较大的低频激励，一般采用激振器激励的方式，适合在实验室条件下进行研究，在实际工程中应用比较困难。一些学者对振动激励的方式做了新的研究，文献［21］提出一种非线性超声方法对螺栓实时在线监测，对振动声调制实验台做了改进，改变了传统的振动激励方式（利用激振器激励），用成本低、可以永久安装的锆钛酸铅贴片（PZT2）代替了传统的激振器，成功实现了振动声调制实验，实验台设置［19］，如图3、图4所示。

图3 振动声调制实验台Fig.3 Experimental Platform of Vibro-Acoustic Modulation

图4 螺栓连接结构和扭矩扳手Fig.4 Bolt Connection Structure and Torque Wrench

该实验台由3块压电片（PZT1、PZT2、PZT3）、强度等级为6.8的M8螺栓和螺母、2块钢板（20×5×4）mm、海绵、信号发生器、电压放大器、计算机组成，其中PZT1用于产生高频激励，PZT2用于产生低频激励，激发连接结构的一些固有模态信息，PZT3用作信号接收器，接收通过结构的超声波信号。实验台的创新之处在于，使用锆钛酸铅贴片（PZT2）代替了传统的激振器，可以内嵌在结构中实现实时连续监测，对于大型设备结构的螺栓组结构健康监测有重要意义。

冲击调制是基于非线性的方法，最开始是用于检测板类细小裂纹［22］，之后被广泛用于各类板件的裂纹与缝隙检测中［23-25］，根据假设，螺栓连接部分松动使系统响应比未松动的系统表现出更多的结构非线性，学者将冲击调制引入到螺栓松动检测与量化评估当中，并且得到了验证。

文献［26］使用冲击调制来评估螺栓连接的状态，从理论和实验来证明方法的可行性，并且之后用于卫星结构的螺栓组松动监测，对松动程度进行量化［27］。搭建的实验台，如图5所示。实验台由2 块AL 6061-T6 梁（298×19×64）mm、1 个M10 螺栓、PCB 086C01 力锤、压电致动器、信号采集装置组成，其边界端被固定，在冲击调制中利用力锤对梁产生冲击，压电致动器产生高频探测信号，通过压电型加速度传感器进行响应测试。实验结果表明，利用冲击调制可以实现对该结构螺栓扭矩水平的量化。模拟卫星结构搭建的实验台［26，37］，如图6、图7所示。在平板上用螺栓组固定一个板面，通过调整冲击位置、激励位置以及传感器位置来对螺栓组的螺栓松动进行识别与定量分析。

图5 基于冲击调制的实验台Fig.5 Experimental Platform Based on Impact Modulation

图6 卫星面板实验设置顶面Fig.6 Topside of Satellite Panel Experimental Setup

图7 卫星面板实验装置底面Fig.7 Underside of Satellite Panel Experimental Setup

2.2 基于线性超声方法的典型实验研究

线性超声方法包括波能耗散法、压电时间反演法等，波能耗散法主要依据通过被测结构的导波透射能量与螺栓的扭矩水平成正比的理论，忽略结构的非线性因素，利用通过螺栓结构透射的导波来对螺栓连接结构进行监测；压电时间反演法主要利用时间反演法的信号聚集特性，提高所需特征信号的信噪比，选择合适的指标实现对螺栓松动程度的精确量化。

文献［28］提出了一种线性方法，给出了C-C（Carbon-Carbon）复合热保护器螺栓连接松动状态下损伤量的定量分析结果，得出了通过接触面的导波能量与实际的接触面积成正比的结论，接触面积随着螺栓扭矩的增大而增大，并且对该理论进行了实验验证［29］。热保护器的螺栓连接结构，如图8所示。

图8 C-C热保护器螺栓连接结构Fig.8 C-C Bolt Connection Structure of Thermal Protector

实验设置［29］，如图9、图10所示。该实验台的C-C面板配备了传感器网络，安装在振动筛上，在螺栓连接结构处加入了PZT嵌入式传感器垫圈构成传感器网络，内部垫圈嵌入PZT陶瓷并引导其发出的诊断波，以可控的方式承受面外加速度，螺栓安装点与加速度计，如图10所示，结果表明该方法能够定位松动支架，识别失效模式，实现了螺栓扭矩水平预测。

图9 振动测试配置Fig.9 Shaker Test Configuration

图10 螺栓安装点与加速度计的位置Fig.10 Location of the Mounting Points and Accelerometers

之后很多学者基于文献［29］提出的线性理论做了研究，大部分集中于对梁类搭接结构的螺栓连接状态的研究，其中，文献［30］利用弹性波对螺栓连接结构状态进行评估，对简单的双梁单螺栓结构进行了理论分析与实验验证，实验表明信号能量随着螺栓扭矩的增加而有规律地增加。实验设置［30］，如图11所示。

图11 搭接测量的实验装置Fig.11 Experimental Setup for Lap-Joint Measurements

该实验台由2块铁板（6.2×59.8×404）mm、2个强度等级为5.6级的M12钢螺栓、采集装置组成，两端固定在钢框架中模拟固定边界，保证螺栓在松动和拧紧时的位置稳定，该结构也是简单的双梁单螺栓搭接结构。

文献［21］将非线性方法与线性方法进行对比，分别定义了线性指标和非线性指标，实验结果表明，线性指标对螺栓搭接的类型比较敏感，在早期的松动检测中效果比较局限。优点是检测方法比较简单，实验设置简单，搭建的实验台［21］，如图12 所示。与非线性振动声调制方法的实验台相比，没用使用激振器。

图12 基于波能耗散的线性超声方法实验台Fig.12 Experimental Platform of Linear Ultrasonic Method Based on Wave Energy Dissipation

该实验台由2块压电片、3块铝板（245×30×2.8）mm、2个M6螺栓、信号发生器以及功率放大器组成，与之前利用超声波非线性特性的实验台相似，采用悬臂梁的结构，对螺栓连接类型进行了拓展，既有双梁单螺栓结构，又有三梁双螺栓结构，实验台设置简单，易于实验室操作。

压电时间反演法的主要作用是减少导波的频散、多模态等的影响，增强特征信号的聚焦效果，提高了信噪比，在螺栓松动故障监测中应用广泛。在理论的基础上，也有很多学者采用该方法，提高了对螺栓连接状态的检测精度［31，32］。

文献［33］针对梁类搭接的螺栓连接结构进行了研究，王涛等研究了基于压电时间反演法的螺栓松动检测技术，利用时间反演的方法反演聚焦信号，可以有效地提高信噪比，结果表明基于压电时间反演法的螺栓松动检测技术有很好的应用前景。该实验采用压电材料分别作为激发器与接收器产生和接收超声波信号，将采集到的信号在时域上反演，作为激励信号再次发出，通过采集信号达到信号聚焦效果。实验装置［33］，如图13、图14所示。该实验台由计算机、采集装置、CMT5105试验机、压电片（PZT1、PZT2）、试样组成，其中，试样由M16螺栓连接的两金属板件组成，板中加工定位销/孔，便于更换上板件材料，研究不同粗糙度信号接收的影响，通过试验机对螺栓头部的加载来精确模拟螺栓的轴向预紧力。

图13 实验整体设置Fig.13 Overall Experimental Setup

图14 实验试样Fig.14 Test Sample

还有一些学者针对复杂多螺栓结构进行了松动识别和定位研究，其中，文献［34］在模拟热保护系统中提出了一种改进的时间反演法用于螺栓松动监测，在复杂多螺栓连接结构中对松动螺栓定位，该方法提高了时间反演后的聚焦信号对损伤状态的灵敏度，实验结果表明，该方法能够实现多螺栓结构螺栓松动识别与定位。实验设置［34］，如图15所示。

该实验台由信号放大器、多功能DAQ 系统、扭矩扳手、2 块Q235 钢薄板（450×385×3）mm，（335×335×3）mm、12 个M6 的螺栓、4个TPS结构（热保护系统面板结构）和计算机组成，模拟多螺栓连接结构，利用PZT贴片来驱动和接收波信号，通过计算机来分析和处理信号。

前面介绍了一些梁类搭接结构、多螺栓板类结构实验研究及装置，工程实际中螺栓连接结构不尽相同，比常见的还有法兰螺栓结构。管道广泛应用于石油、天然气、城市自来水管道系统中，在工程中意义重大，其主要连接方式是法兰螺栓连接，当螺栓连接松动时会导致泄露，造成大量损失，因此针对法兰螺栓松动的研究具有一定的实际意义和工程价值。

文献［35］针对法兰连接结构提出了一种超声导波监测方法，该方法利用导波的均方根偏差作为指标进行松动监测，通过均方根偏差值的大小及其分布可以初步判断松动螺栓的位置，实验设置，如图16所示。

图16 实验设置及试件Fig.16 Experimental Setup and Specimens

实验台由2节铝合金制管道法兰结构、12个M6螺栓、8个压电片（其中4个用于产生激励信号，4个用于接收激励信号）、电压放大器、采集装置、扭矩扳手、泡沫塑料组成，2 组压电片分别置于螺栓连接结构的两侧，实现了对螺栓法兰结构的螺栓松动的监测与定位。

基于导波技术的螺栓松动识别与监测的研究成果丰富，实验设置的类型有很多，目前主要集中于梁类搭接结构（双梁单螺栓结构、双梁双螺栓结构、三梁双螺栓结构）、螺栓板类结构、法兰螺栓结构，这些结构在工程中得到广泛应用，一定程度上都实现了螺栓的松动识别和监测，但是针对复杂结构的螺栓松动研究较少，这些结构在工程中应用更加广泛。

3 基于振动技术的螺栓松动实验研究

振动技术是比较传统的技术，被广泛用于设备状态监测与故障诊断［36］。在螺栓松动故障识别与监测方面，基于结构振动的方法主要是采用振动的方式提取螺栓松动前后结构的特征频率、传递函数、功率谱等的变化，对螺栓连接状态进行分析与判断［37］。基于振动的方法通常采用接触式激励，即采用力锤或压电材料激励结构确定频率响应，其中使用力锤的方法依赖于技术人员的经验，重现性比较差；压电元件需要粘贴到结构上，对于大型结构，布置比较复杂；许多学者对非接触式的方法进行了研究［38，39］，其中非接触式激光激励的振动系统有很高的测量重现性，还可以测量高频振动，对螺栓的松动十分敏感。

3.1 基于接触式振动技术的典型实验研究

一些学者采用接触式激振方式对结构进行振动激励，其中曹芝腑等在高温振动环境中对螺栓松动进行了判别［40］，利用振动控制系统、温度控制系统和测量系统对复合材料螺栓连接状态进行评估，复合材料螺栓搭接板件及实验设置［40］，如图17、图18所示。

图17 复合材料螺栓搭接板Fig.17 Composite Material Bolt Lap Plate

图18 高温振动试验系统和试验系统布置Fig.18 Experimental System and Arrangement of High-Temperature Vibration

该实验台主要由温度控制系统、振动测量系统、振动控制系统组成，通过温度控制系统控制实验的温度，模拟高温工作条件，复合材料搭接板件一侧采用夹具夹持，另一侧为自由端，为悬臂梁结构，振动控制系统采用振动台激振，最后通过光幕式激光位移计进行测试，通过定义高温松动指标，实现了在高温振动环境下复合材料螺栓连接结构的松动判别。

3.2 基于非接触式振动技术的典型实验研究

一些学者对非接触式振动激励方式进行了研究，其中Huda等利用非接触式激光激振实验对螺栓松动进行诊断［41］，利用YAG 脉冲激光在结构表面产生理想的脉冲，可以激发结构的高频振动响应，通过对频率响应数据的统计评价，引入新的损伤指标，通过仿真与实验证明了该方法的有效性，该方法可以检测六螺栓连接悬臂梁中松动螺栓的位置。其中，实验设置［41］，如图19所示。

图19 使用高功率脉冲激光振动测试Fig.19 Vibration Testing Arrangement Using the High Power Pulse Laser］

该实验台由YAG脉冲激光器、反射镜、凸透镜、虎钳、试样、加速度计、频谱分析仪、计算机组成，通过脉冲激光器产生激光通过反射镜反射，沿着路径最后通过凸透镜传到螺栓连接结构，采用加速度计采集振动信号进行分析。基于振动技术的螺栓松动检测方法很多与导波技术相结合，有振动声调制技术等，目前已证明了该方法有效性，还有一些方法是基于结构的振动特性对螺栓连接松动前后的固有特性进行研究的，由于通常结构的固有频率较高，采用激振器、振动筛等激振设备很难激发结构的一些固有模态信息，所以采用常规振动方法对螺栓松动检测的研究比较少。

4 基于压电阻抗的螺栓松动实验研究

压电阻抗方法（Electromechanical Impedance Method，EMI）是目前常用的一种无损检测方法，对螺栓松动等损伤比较敏感，在螺栓松动监测与损伤识别方面发展迅速，可以实现对螺栓松动的量化分析与定位。其主要原理是压电材料与机械结构有独特的耦合特性，当结构发生破坏或损伤时，结构的强度、刚度等发生变化，机械阻抗也会改变，通过耦合方式表现为压电阻抗，通过测量压电阻抗信息就会得到机械阻抗信息，从而对结构破坏或损伤进行分析与判断。

文献［42］最早提出了阻抗分析的方法用于材料的动态分析，建立了PZT压电片与梁结构的耦合模型，做了一些数值分析，并提出机电耦合的结构压电阻抗分析方法，将结构与压电材料耦合简化为单自由度弹簧-质量-阻尼系统，获得了压电材料与结构耦合的阻抗表达式［43］。之后很多学者将阻抗分析的方法引入螺栓松动监测中，取得了很好的效果［44］。

文献［45］基于压电阻抗法对螺栓组进行松动监测以及识别，以大型起重机等的结构中的螺栓组为研究对象，用阻抗分析仪分析压电片的阻抗特性，采用均方根值作为指标，可以实现螺栓组松动螺栓的基本定位，开发了新的实验平台［45］，如图20所示。

图20 基于HP4395A网络频谱阻抗分析仪的实验平台Fig.20 Experimental Platform of Network Spectrum Impedance Analyzer Based on HP4395A

该实验平台由HP4395A 精密网络频谱阻抗分析仪、PZT 压电陶瓷片、计算机以及强度等级为8.8级的M12螺栓组及垫片、两块Q235 钢板（400×200×8）mm 组成。采用高频扫描频率，通过PZT压电陶瓷片的阻抗信息来反映螺栓扭矩变化，实现了螺栓松动的定量分析，对分布式螺栓组进行定位。

文献［46］提出了基于压电阻抗频率变化的螺栓松动监测方法，在螺栓头部安装压电材料，采用试样机对螺栓的预紧力进行精确模拟，实现了对压电材料导纳谱的频率与螺栓预紧力的定量分析，发现随着螺栓预紧力的增大，压电阻抗峰值频率降低，呈现线性关系，可以实现对螺栓松动程度进行定量分析。实验装置及设置［46］，如图21、图22所示。

图21 实验测试装置Fig.21 Experimental Test Device

图22 实验设备及仪器Fig.22 Experimental Equipment and Instruments

图23 实验设置Fig.23 Experiment Setup

该实验台由精密阻抗分析仪、电子拉伸试验机、2个侧面螺栓、1对中间螺栓（上、下）和2块夹具平板以及计算机采集平台组成，试验机通过夹持中间螺栓（上、下）对螺栓作用轴向载荷模拟预紧力，比扭矩扳手精度更高，通过夹具使载荷均匀分布，作用到两侧面螺栓上，布置压电片与螺栓结构形成耦合结构。

由于压电阻抗分析方法检测范围较小，采用压电片粘贴在螺栓连接结构附近，粘贴不方便，对于复杂结构的监测比较困难。因此，一些学者采用压电智能垫圈代替压电片，监测精度更高，更方便。其中，文献［47］提出了基于阻抗的压电陶瓷智能垫圈的螺栓预紧力监测方法，在实验研究中，采用压电陶瓷制作了螺栓的连接试件，选择阻抗信号的均方根偏差（RMSD）作为松动指标，实验结果表明，随着螺栓连接的预紧力降低，螺栓与压电片耦合部分的谐振频率也随之降低，这说明该方法对于螺栓松动监测的有效性，实验设置［47］，如23图所示。

实验台主要由智能垫圈、阻抗分析仪、计算机、2块铁板、1个M15的螺栓以及扭矩扳手组成，智能垫圈装入螺栓连接结构中，针对不同的螺栓扭矩水平采用阻抗分析仪分析耦合部分的阻抗信号，实现了对螺栓松动的监测。

基于压电阻抗技术的螺栓松动识别与监测的研究成果也比较多，实验设置的类型有很多，目前主要集中于螺栓板类结构，该技术对结构的微小损伤比较敏感，而且可以用于在线监测，但是大多集中于实验室研究阶段，对于复杂结构的松动损伤识别与监测研究较少，实际工程中的应用研究还需要进一步研究。

5 其他的一些技术

这里主要介绍基于人工智能技术、图像处理技术的螺栓松动监测方法以及一些现场实验的方法，这些技术应用比较广泛，其中人工智能技术、图像处理技术等发展迅速，与很多学科结合实现了新的发展；现场实验研究是以后的发展方向，之前许多学者在实验室中使用很多方法实现螺栓松动故障的识别及监测，能否在工程现场使用、使用效果如何都不确定，需要进一步现场实验来判断方法的好坏，最终走向工程应用。

5.1 基于人工智能技术的典型实验研究

随着人工智能、图像处理等技术的发展，许多学者将这些先进的技术与螺栓松动检测相结合，相对于传统的检测方法，这些新兴技术在螺栓松动故障识别和监测中有着独特的优势，比如：降低了故障的误判率，提高了识别的精度等。文献［48］采用基于熵值的主动传感和遗传算法的最小二乘支持向量机的方法来监测多螺栓连接松动，提出了一种新的基于多元多尺度模糊熵的损伤指数，然后使用最大相关最小冗余原则从基于熵的损伤指数中选择重要特征来构造数据集，通过最小二乘支持向量机训练分类器来检测螺栓是否发生松动，实验仪器及设置［48］，如图24、图25所示。

图24 实验仪器Fig.24 Experimental Apparatus

图25 实验装置示意图Fig.25 Diagram of Experimental Setup

该实验对两种结构进行螺栓松动的故障监测，结构1由两个铝梁（230×40×5）mm搭建，采用3个M8的螺栓（B1、B2、B3）连接，实验台由铝梁、M8 螺栓、计算机、扭矩扳手、压电片（PZTA、PZTB）、NI数据收集系统、信号放大器组成，如图24所示。结构2，试件由2块铁板（150×150×5）mm搭建，模拟在钢架结构连接时的多螺栓结构，这种结构在工程中比较常见，由4 个M8 螺栓连接。通过压电片A产生激励信号，压电片B接收激励信号，之后对信号进行分析，如图25所示。

还有一些学者结合图像处理技术对螺栓松动进行检测，其中，文献［49］使用Viola-Jones 算法进行了基于视觉的全自动松开螺栓检测研究，可以用来克服接触式、非接触式传感器的一些弊端，比如：温度、湿度等环境条件对检测结果的影响，对定位的螺栓图像进行自动剪裁和二值化，计算螺栓头尺寸以及外露的杆长，将这些特征信息进行提取输入到支持向量机中，生成对松紧螺栓的决策边界，之后对螺栓松动进行检测。其实验设置［49］，如图26所示。实验选择了8个不同的螺栓在工字钢上检测，图26介绍了相机的高度、角度、工字钢的尺寸、螺栓位置，首先对该结构拍照，对螺栓位置进行定位，采用上述的方法对不同的螺栓进行松动检测。基于图像处理技术及其相关技术对实验设备要求较低，不需要外加任何的测试装置，通常对结构的螺栓连接部分进行拍照，对图像进行图像分割与特征提取，一般采用支持向量机对分类器进行训练，之后用于螺栓松动的检测，但是拍照的时候要尽量避免阴影，以免定位不准确造成误判。

图26 实验设置Fig.26 Experimental Setup

5.2 一些现场实验的研究

螺栓松动会造成很多工程问题，许多工程问题需要现场实验解决，大部分是结合之前的3种技术，实际结构比较复杂，实验难度更大，用于解决工程实际问题，对于研究人员来说是十分必要的，也是以后研究发展的方向。

许多学者开展了现场实验研究，其中，文献［50］提出了基于压电导纳的钢框架螺栓松动检测研究方法，利用压电导纳技术，对现场的钢框架结构进行了螺栓松动测试，采用3个压电陶瓷片粘贴于框架节点处的不同构件表面，通过测量各压电片在螺栓松动前后压电导纳变化来识别损伤。采用压电片测量阻抗信息，实现对螺栓松动的识别与定位。文献［51］针对输电铁塔螺栓松动进行了研究，利用激振器、光纤振动传感器系统开展了对输电铁塔的螺栓松动现场测试实验，采用回弹仪作为激振器，通过光纤光栅振动传感器测得振动信号，改变不同的工况，对比了螺栓松动前后的振动信号，判断螺栓松动情况，现场测试试验［51］，如图27所示。

图27 测试现场Fig.27 Test Site

研究人员选定好研究的基座，将传感器布置与其中一个基座上，将传感器与计算机相连，进行信号采集，最后通过对振动信号的分析来判断基座螺栓的松动情况。

6 结论

这里系统介绍了螺栓松动故障状态监测的一些典型实验研究以及实验设置，归纳了目前主要研究的螺栓连接结构以及一些方法，对未来研究方向提出一些展望：

（1）目前针对螺栓松动损伤识别和健康状态监测的文献主要集中于对铝梁搭接处的螺栓监测，对木结构、钢梁、复合材料也有一些研究，针对复合材料的较少，复合材料广泛应用于航空航天领域、汽车工业、化工、纺织和机械制造领域，在工业中有很大的应用空间，是以后研究的重点；

（2）研究的结构大部分为双梁单螺栓结构以及一些平面板上多组螺栓结构、管道连接处的螺栓结构，研究的结构比较简单，条件较为理想，但是很多重要结构在恶劣工况下服役，比如航天发动机、卫星结构等，在复合故障下的螺栓结构监测很少，需要对其进行研究；

（3）目前针对螺栓结构损伤的方法主要集中于基于超声导波的方法，基于振动声调制技术的螺栓结构损伤监测有一定优势，在螺栓损伤方面有较大的潜力；随着人工智能、机器学习技术、图像处理技术等的发展，越来越多的学者将这些先进的技术用于螺栓松动的检测中，达到了比较好的效果，是以后发展的方向。